项目6机电一体化前沿展望Word格式.docx
- 文档编号:13436137
- 上传时间:2022-10-10
- 格式:DOCX
- 页数:23
- 大小:906.05KB
项目6机电一体化前沿展望Word格式.docx
《项目6机电一体化前沿展望Word格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《项目6机电一体化前沿展望Word格式.docx(23页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
光机电一体化技术的运用主要包括在设计和加工制造中的运用。
(一)设计中的运用
1.信息处理技术
(1)使用计算机进行大量的数据采集和处理;
数字式或图像式生动明确的显示结果;
对误差进行修正和补偿;
利用计算机的高速运算和存储能力,提高系统的分析、实时反应速度;
对图像信息进行自动处理和自动识别;
通过网络进行协同工作和信息共享;
以计算机作为上位机、可编程控制器作为下位机可使系统具有层次结构,接口合理,便于维护。
(2)软件人工智能(包含各种遗传算法、神经网络数据处理方法、专家系统及决策支持系统),可优化数据处理,提高运行速度,并可提高决策能力和正确率;
网络技术,可共享资源(包括数据、硬件和信息)和协同工作;
仿真技术,可评估运行效果以辅助决策;
良好、简便的人机交互界面。
2.激光技术
(1)高单色性,利用激光高单色性作精密测量时,可极大地提高测量精度和量程。
(2)高方向性,因具有很远距离传输光能和传输控制指令的能力,从而可以进行远距离激光通信,激光测距,激光雷达,激光导航以及遥控。
(3)高亮度性,大功率激光器的发光亮度比太阳光亮度高几千亿倍。
利用激光的高亮度特性,中等亮度激光束在焦点附近可产生几千到几万度的高温,可使照射点物体熔化或汽化,对各种各样材料和产品进行特种加工。
(4)相干性极好,由于激光束频率单一、相位相同、方向又相同,故其光线叠加幅度稳定,在时间和空间上周期一定。
因此适用于激光通信、全息照相、激光印刷以及光学计算机的研制。
而在实际运用中也会通过一些激光技术改变激光辐射的特性,应用范围更广。
3.传感检测技术
(1)激光干涉测长,其特点是可测长度范围大、测量耗时短、精度高。
可应用于精密丝杠、机床、零件、数控设备的测量和校验,坐标精密定位、光学平面检测和地震预测。
(2)激光测速,利用多普勒效应,可以进而确定运动物体的速度。
其优点是测速准确;
非接触测量;
空间分辨率高,因而可测量速度分布和速度梯度;
可在二维或三维空间内测量,因而可测量物体运动的方向。
(3)激光准直,能够测量平直度、平面度、平行度、垂直度,也可以做三维空间的基准测量。
(4)激光测距,其探测距离远,测距精度高,抗干扰性强,体积小,重量轻,但受天气影响大。
(5)光纤探测器,在目标很小,间隔受限或危险的环境中,最常选用的是光纤探测器。
(6)运用微光机电一体化技术研制出了多种微型传感器件和系统。
对于光机电一体化系统的设计,需注意其从整体到局部的设计原则,应根据系统功能和设计要求提出系统设计的总任务,并进行系统的总体框图设计;
然后,将总体框图分解成一个个独立的框图,可分解为光学系统、机械与执行机构、光电传感、信号采集与处理、驱动与控制、软件设计、计算机及其接口等分框图,然后再进一步设计。
设计制作完成后,先对光学系统、机械结构、计算机及其接口、软件进行单独调试,然后再将它们装配起来进行光、机、电、计算机联调。
(二)在制造中的运用
(1)激光加工技术
包括金属表面的激光强化、激光焊接、激光切割、激光清洗技术,其他还有激光打孔、刻槽、标记、光化学沉积等加工技术。
(2)先进制造技术
激光快速成型是利用计算机将复杂的三维物体转化为二维层,然后利用“积分”的思想,将热塑性塑料粉末或胶粘衬底片材纸张烧结,由点、线构造零件的面(层),然后逐层成型。
激光快速成型技术可使新产品及早投放市场,极大地提高了汽车生产企业对市场的适应能力和产品的竞争能力。
激光金属塑性成形技术是一种较新的先进制造技术,它没有任何的机械接触就可以生产出金属板料制品,而不需要任何模具。
板料成形是由于激光加热后上、下表面收缩引起的。
可用适当的件夹持和操作系统来实现。
国际上光机电一体化系统研究发展迅速,而我国在许多方面落后于国外,工艺技术水平低是一个重要原因。
我国的光机电一体化技术要赶上世界先进水平,首先要重视基础研究,了解国际的发展模式,依靠自身的技术优势和高校多学科的交叉优势与企业合作攻克世界技术难题,只有这样,才能在世纪的尖端科技术较量中夺魁。
二、微机电一体化综述
2.1引言
机电一体化(Mechatronics)不是机械和电子装置的简单“拼盘”,而是“机”和“电”的有机结合,在功能上互补,以实现系统的最佳构成,增加系统的功能,提高可靠性和性价比,节省原材料和降低成本。
机电一体化所涉及的领域主要包括:
传统的机械设计、微电子技术、经典控制理论等内容,同时包括了现代信息处理技术、现代设计方法、软件工程,以及现代控制技术。
随着现代技术的发展,尤其是机械技术和微电子技术的进步,机电一体化的涵义也在不断发展,机电一体化已经向“宏观”(机械电子学)和“微观”(电子机械学)发展。
本文着重从系统角度叙述“微观”的机电一体化,即微机电系统(MEMS)。
当前,信息技术已走上多媒体、网络化和智能化的道路,微电子信息处理已向系统级芯片集成发展。
无沦从微型化或性能价格比发展看,信息获取(传感)技术和信息执行技术,即所谓“外部设备”技术都己成为发展的瓶颈,它们与“主机”的接口也成为阻碍处理速度的关键。
MEMS技术的目标是把信息获取、处理和执行一体化地集成在一起,使之成为真正的信息处理系统,因此它对信息技术的革命意义是不言而喻的。
对于传统的“机械学”来说,MEMS技术不仅为之打开了“微尺寸”新领域大门,也是真正实现机电一体化的开始。
所以,MEMS被认为是微电子技术的又一次革命,对21世纪的科学技术、生产方式和人类生活质量都会有深远的影响。
2.2微机电系统(MEMS)概述
2.2.1发展背景
微机电系统(MicroElectroMechanicalSystems简称MEMS)是近年来发展迅速的高新科学技术,是一种集成微电子和微机械、具有微观尺寸的静止或移动部件的装置。
1959年,美国物理学家RFeynmam提出了制造微型机械的设想。
1962年第一个硅微型压力传感器问世,其后微梁、微齿轮等微型机构又开发成功。
20世纪70年代末期,斯坦福大学开发出硅微加工的气相色谱仪,随后人们又提出了制造微传感器、微处理器的构想。
20世纪80年代初,Middelhoek著文预示微系统的出现和发展前景,对微系统的研究起着重要的推动作用。
美国在1987年举行的IEEEMicro-robotsandTele-operators研讨会的主题报告标题为smallmachines,largeopportunities,首次提出了微机电系统(microelectro-mechanicalsystem,MEMS)一词,标志着微机电系统研究的开始。
1988年,美国加州大学伯克利分校研制出直径为60~120μm的硅微型静电电机,引起了人们的极大关注。
对微机电系统研究产生很大的鼓舞。
由此可见,美国有关微系统的研究是由微电子技术发展而来,故称之为MEMS,这也是目前广为使用的名称。
在欧洲,,1989年在荷兰特文蒂(Twente)以MicroMechanics的名称首次召开有关微系统的研讨会。
1990年,在柏林召开的研讨会改称为MST(microsystem-technology),即微系统,这一称谓更强调系统的观点,即如何将多个微型化的传感器、执行器、处理电路等元部件集成为一个智能化的有机整体。
欧洲在该领域的重要贡献是开发出扫描隧道951。
关于微机电系统研究——显微镜和原子力显微镜以及LIGA工艺。
在精密机械加工方面有传统优势的日本则称之为Micro-Machine即微机器。
并于1988年正式建立微机械研究组织。
到20世纪末,MEMS技术已逐渐形成一门独立学科,得到广泛的应用.根据NEXUS2002年市场调查结果,目前商业MEMS及其应用发展迅速,每年可销售1亿多个MEMS产品,2000年MEMS的销售额更是达到300亿美元,预计到2005年达到680亿美元。
2002年5月在SanJose召开的MEMS传感器世界博览及研讨会提出了BioMEMS/BioSensor的新观念,并探讨了MEMS在生物工程中的应用前景及所面临的挑战。
2.2.3MEMS的定义
作为最近十几年来新出现的一门技术,MEM对现代科技的影响,将超过晶体管的出现,堪称为跨时代的技术。
MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域,它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域,如电子、机械、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。
但是,目前关于MEMS尚无统一的定义。
一般地说MEMS具有以下几个非约束性的特征:
(1)尺寸在毫米到微米范围之内,区别于一般宏(Macro),即传统的、大于1cm尺度的“机械”,但并非进入物理上的微观层次。
(2)基于(但不限于)硅微加工(Microfabrication)技术制造。
(3)与微电子芯片类同,可大批量、低成本生产,使性能价格比比之传统"
机械"
制造技术,大幅度地提高。
(4)MEMS中的“机械”不限于狭义的机械力学中的机械,它代表一切具有能量转化、传输等功能的效应:
包括力、热、声、光、磁,乃至化学、生物等。
(5)MEMS的目标是微“机械”与IC集成的微系统,即具有智能的微系统。
用以上特征来衡量,用微电子技术(不限于)制造的微小机构、器件、部件和系统等都属于MEMS范围,微机电系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令,还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令执行机械操作。
微机械和微系统只说明MEMS发展的不同层次,而有关的科学技术都可统称为MEMS技术。
一般来说,微机械多指构造较简单能动作的微构造,它是构成微机电系统的要素技术。
微机电系统(MEMS)则指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统。
2.2.4MEMS的基本特点
MEMS具有以下特点:
(1)体积小,精度高,质量轻。
机械按其特征尺寸可以这样划分:
1~10mm为(微)小型机械;
1μm~1mm为微型机械;
1nm~1μm为纳米机械。
MEMS体积可小至nm数量级,尺寸精度亦可达nm数量级,质量可轻至ng。
(2)性能稳定,可靠性高。
由于微机电系统的体积甚小,几乎不受热膨胀、噪声和扰曲等因素影响,具有较高的抗干扰性,可在较差的环境下稳定工作。
(3)能耗低,灵敏性和工作效率高。
微机电系统所消耗的能量远小于传统机械的十分之一,但却能以十倍以上的速度来完成同样的工作,如5mm×
5mm×
0.7mm的微型泵的流速是比其体积大得多的小型泵的1000倍。
(4)多功能及智能化。
MEMS最终将实现集微型传感器、微型执行器、信号处理和微电子控制电路、接口电路、通讯电路、电源于一体的目标,特别是应用智能材料和采用智能结构后,更利于实现微机电系统的多功能化及智能化。
(5)适合大批量生产,制造成本低廉。
如MEMS可采用与半导体制造工艺相仿的方法生产,采用类似集成电路(IC)的生产工艺和加工过程,像生产超大规模集成电路芯片一样在一硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。
批量生产可大大降
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 项目 机电 一体化 前沿 展望